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管壳式换热结构更加紧凑

作者: 时间:2019-04-16 09:13

之前曾经提到过,林德公司在开发冷冻甲醇法吸收脱硫工艺的时候,顺道制造出了一种新型换热设备——缠绕螺旋管换热器。这几年来,这项技术国内也有很多厂家在做,这几次展会上都有看到,我们一度也有引进的打算,所以在这里给各位看官做一个介绍。      在介绍这种新型设备之前,首先还是给大家分析一下传统换热管壳式换热器的结构。这就是传统的管壳式换热器,这种换热器分为管程与壳程。管程是一束金属管道,常见尺寸有19或25mm。把这些管子用两块固定的板管固定在一起形成管束,在管束的外面再包一个大的圆筒形成壳程。在换热过程中一股流体从管程流过,另一种流体从壳层流通,两种流体互相不接触,通过换热管的管壁进行换热。       这种换热器结构非常经典,是目前最常用的形式,甚至其规格尺寸均有标准可循。之所以管壳式换热器如此常见,主要是这是一种性价比非常适中的换热设备,各项性能指标非常均衡。       首先,管壳式换热器的传热系数在400左右,虽然不是特别大但是比起夹套反应釜(100左右),套管换热器(200)之流直流还是不知道高到哪里去了,在绝大多数情况下都可以满足正常的使用。      其次,管壳式换热结构更加紧凑,由于所有的管子共用一个壳层,所以管子可以尽可能精密地排布起来。不像蛇管换热器,一根管子外面还要加上一个套管来作为壳层,这样管子间距不可能变小,导致换热器尺寸偏大。常见的套管型换热器,由于每个管子单独配一个套管作为壳程,导致管子无法密集布置,单位体积内可以容纳的换热面积有限。       管壳式换热器的种种表现可以用“中庸”来形容了,但是在一些特殊情况下,管壳式反应器的弱点就暴露了出来。      首先,就是管壳式换热器存在的温差应力问题      传统的管壳式热器换热温差是不能太大的,比如说一个200度高温流体是难以采用常温冷却水进行换热的。具体原因就是如果温度高的液体走管程,由于热胀冷缩,管子会伸长。但这时壳层恰恰走冷流体。在冷流体作用下,壳程的温度低于管程,伸长量比不上换热管。而非常不巧的是用于固定的管束的管板是焊接在壳层外筒上的。这样一来管子想要伸长,但是管板限制了管子伸长就会产生温差应力。传统的换热器一般采用膨胀节或采用U型管结构来解决这个问题。但是治标不治本,仍然不能适用于温差较大的换热体系。      其次,传统换热器管程长度有限      由于传统换热器采用直管,管子的长度是有限的。换热管自身有重量,管子越长越容易在重力作用下弯曲,虽然可以通过支撑板解决这个问题,但目前管壳式换热器长度都不会长于12m。另外之前提到的温差应力,也是在管子越长的情况下影响越大。     另外在管内压力高的情况下,直管受到的应力也较大。导致直管换热器耐压很难提升。限制了传统换热器在高压下的使用。目前随着化工工艺的发展,我们发现各种极端流程越来越多,要求在高温高压条件下进行换热的场合与日俱增。我认为目前换热器的发展,主要就是为了提升它们的泛用性。      现在让我们来看看缠绕螺旋管换热器的结构缠绕螺旋管换热器结构如图,可以看到与传统的管壳式换热器相比,唯一做出的重大改进,就是将原来的直管变成了螺旋管。       缠绕螺旋管换热器有什么好处呢?       首先,由于管程做成了螺旋管,各种温差应力的问题就不存在了。       大家可以把螺旋管想象成弹簧,弹簧在两端固定的情况下,受到应力的时候可以自动改变螺旋之间的距离或者螺旋的直径,使应力受到补偿。因此螺旋管换热器两侧的温差可以做到非常大。另外由于应力结构合理,即使管内压力非常高,但是作用在管壁上的分量却不高,导致反应器可以耐受更高的压力。      其次,由于管子是螺旋管排布,因此这种结构非常紧凑,从图中可以看到,整个换热器内部密密麻麻的都是管子。这种换热器每立方米的换热面积可以达到100平方米以上。       另外就是流体在螺旋管内流动的时候,由于管子蜿蜒曲折,在管子内流体的方向时常发生变化,可以形成局部的湍流,进一步提高设备的传热系数。所以整体上,缠绕螺旋管换热器还是一种传热强化设备,可以在更小的体积内达到非常高的换热量。此外由于管子螺旋缠绕,管子长度可以到几百米,可以使用更长的换热器,同时有利于换热器的大型化。      缠绕螺旋管换热器的优点非常明显,可以大大扩展换热流程的使用范围。唯一的缺点就是加工可能比较困难,导致加工成本偏高。另外就是换热管的间距等几何参数对内部流体流动的影响非常复杂,导致换热过程的计算与设计无法参照传统换热器,这给业主方的选用带来顾虑。当然最麻烦的还是管子的堵塞问题,由于管道特别长,结垢以后几乎无法清洗,因此这种设备还是适用于原料纯度较高的场合。